惯性导航系统的分类及工作原理
按照惯性测量装置（IMU）在载体上的安装方式，惯性导航系统可分为两类，即采用物理平台模拟导航坐标系的平台式惯导系统和采用数学算法确定出导航坐标系的捷联式惯导系统。
根据应用场景和精度不同，惯导系统可分为战略级、导航级、战术级和商业级（消费级）。参数指标见表3-1。激光惯导及光纤惯导精度高，体积大，成本高，多为战略级、导航级别，应用于火箭、航天等领域。目前，应用最为广泛的是MEMS惯性器件，体积小，质量轻，最高精度可以达到0.5°/h的战术级别。
表3-1 惯导系统参数指标
下面重点介绍平台式惯导和捷联式惯导。
1.平台式惯导
平台式惯导将测量惯性元件安装在惯性平台（物理平台）的台体上（图3-42），台体用来模拟某个坐标系（惯性/当地水平坐标系），从而保持加速度计在指定的坐标系内。陀螺稳定平台是利用陀螺的稳定性和进动性直接或间接地使某一物体对地球或惯性空间保持给定位置或按照给定规律改变起始位置的一种陀螺装置。
如图3-42所示，3个加速度计的敏感轴沿着3个坐标轴正向安装，测得载体的加速度信息。通过惯性级的陀螺来稳定平台，从而确定一个坐标系。如果选定某种水平坐标系为导航系，就必须给平台上的陀螺仪施加相应的指令信号，以使平台按指令所规定的角速度转动，从而精确跟踪所选定的导航坐标系。
图3-42 由三自由度陀螺组成的三轴稳定平台
在平台式惯性导航系统中，要把加速度计安装在一个相对惯性空间稳定的平台上（图3-43），如宇宙航行和弹道导弹；或安装在一个相对于地球稳定的平台上（图3-44），如飞机。这样就能提供准确的加速度。
图3-43 跟踪惯性坐标系
图3-44 跟踪当地水平坐标系
图3-45展示了平台式惯导的工作原理。由图可知，惯导实体平台的主要作用是支撑加速度计，并把加速度计稳定在某一导航坐标系上。根据应用场景的不同，惯导平台可以工作在两种状态：一种是几何稳定状态（稳定工作状态），即平台在基座运动和干扰力矩的影响下相对惯性空间保持方位稳定；另一种是空间积分状态（指令角速度跟踪状态），即平台相对惯性空间以给定角速率转动。
图3-45 平台式惯导工作原理
导航计算机提供陀螺施矩信息给陀螺仪，利用陀螺的进动性，对陀螺进行施距控制，使平台对齐导航坐标系。导航计算机对导航坐标系下的加速度信息，进行处理得到载体的运动加速度信息，再进行积分处理，便可得到载体的位置和速度信息。载体的姿态角信息则可通过对陀螺仪测量得到的角速度进行积分得到。
由平台式惯导的结构组成和工作原理，可以分析得到平台式惯导系统优缺点如下：
优点：实体平台能隔离载体的角振动，给惯性元件提供较好的工作环境；平台建立了导航坐标系，计算量小。
缺点：结构复杂、故障率高；尺寸大、成本高。
2.捷联式惯性导航系统
捷联式惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）是将陀螺仪和加速度计直接固连在载体上的惯性导航系统（图3-46、图3-47）。因为这类导航系统没有惯性平台实体，所以又称为无平台式惯性系统。
图3-46 惯性器件固连在飞机上
图3-47 捷联惯性导航系统
在捷联惯性导航系统中，平台的概念仍然存在，虽然无实体平台，但是有用计算机软件建立的“数学平台”来代替平台式惯性导航系统中的电气机械平台实体。数学平台的主要作用是把机体坐标系下的加速度计测量数据转换到导航坐标系；同时建立和修正姿态矩阵，并计算出飞机的姿态角。
图3-48所示为捷联惯导的工作原理框图。图中，b为运载体的机体坐标系，n为导航坐标系。加速度计和陀螺仪都直接固连在运载体上，构成IMU，所以，加速度计和陀螺仪的输出是机体坐标系下的数据。IMU输出数据，然后输入数学平台。
这里的“数学平台”有以下3项功能：
（1）姿态矩阵的计算，通过计算姿态微分方程，实时求解出载体坐标系至导航坐标系的方向余弦矩阵；
（2）比力变换，由获得的坐标变换方向余弦矩阵，把沿载体坐标系各轴上的加速度分量转换到导航坐标系；
（3）姿态和方位的计算，根据方向余弦矩阵与姿态方位的唯一关系，计算出载体的姿态和方位角。
图3-48 捷联惯导的工作原理框图
数学平台可以得到导航坐标系下运载体的运动加速度，这样再经过积分，便能得到导航坐标系下运载体的位置和速度。
最后来分析捷联惯性导航系统的优缺点。
优点：
（1）由于取消了机械平台，大大减少了机械零部件。据统计，惯性平台的体积和质量约占系统的一半，平台的加工制造成本约占系统的2/5，而惯性元件只有平台质量的1/7。
（2）捷联惯导容易采用多敏感元件，实现多余度，可靠性较高。
（3）捷联惯导可以直接给出飞行器的线加速度和角速度信息，提供给飞行控制系统使用，而平台式惯导必须由单独的传感器来提供它们。
（4）捷联惯导较平台式惯导维护简单，故障率低。据国外资料统计，故障率约下降20%。
缺点：
（1）从动态环境看，SINS对惯性器件的要求比平台式高。因为惯性器件直接固连在载体上，载体的干扰振荡运动将传递的惯性器件上，因此要求惯性器件的参数和性能有很高的稳定性。
（2）捷联式陀螺仪测量角速度的范围从0.01°/h到400°/s，即动态范围量程高达到108，这对陀螺仪要求大大提高了。
（3）平台式系统的陀螺仪安装在平台上，可以相对重力加速度和地球自转角速度任意定向来进行测试，便于误差标定。而捷联陀螺则不具备这个条件，因而装机标定比较困难，从而要求捷联陀螺有更高的参数稳定性。
（4）对导航计算机的软件精度和实时性要求更强，算法的复杂性大大增强，由此带来的误差较大。
总体来说，捷联惯导精度较平台惯导低，但可靠性好、更易实现、成本低，是目前民用惯导的主流技术。